傳感器與測試技術課程設計1.doc

1、傳感器與測試技術課程設計題目超聲波測距系統(tǒng)設計學校四川廣播電視大學專業(yè)機械設計制造及其自動化班級02姓名陳康峰學號指導教師熊紀宇完成時間 2014 年 4 月 18 號目錄一、課程設計目的.2二、課程設計題目.2三、課程設計內容及要求.21、設計內容 .22、設計要求 .2四、傳感器工作原理.2五、系統(tǒng)框圖 .4六、單元電路設計原理.41、 LED顯示電路與鍵盤控制電路設計42、超聲波發(fā)射電路設計.53、超聲波接收電路設計.74 、串口通信與蜂鳴器電路設計.8七、軟件設計與系統(tǒng)調試.91、 主程序流程圖.10發(fā)射程序與接收流程圖.10中斷子程序及流程圖.11距離計算與顯示子程序.12八、設計中

2、的問題及解決方法.13九、參考文獻 .14一、 課程設計目的通過傳感器及檢測技術課程設計，掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設計的方法和設計原則及相應的硬件調試的方法。進一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的設計和應用。二、 課程設計題目：超聲波測距系統(tǒng)設計三、課程設計內容及要求1、設計內容采用 40KHz的超聲波發(fā)射和接收傳感器測量距離?？刹捎冒l(fā)射和接收之間的距離，也可將發(fā)射和接收平行放在一起，通過反射測量距離。功能： 1） LED數(shù)碼管顯示測量距離，精確到小數(shù)點后一位（單位：cm）。2）測量范圍：30cm 200cm，3）誤差0.5cm。4）其它。2、設計要求1）掌握傳感器的工作原理及相應的輔助電路設計方法。2）獨

3、立設計原理圖及相應的硬件電路。3） 設計說明書格式規(guī)范，層次合理，重點突出。并附上詳細的原理圖四、傳感器工作原理超聲波發(fā)生器內部結構有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，就成為超聲接收波換能器。超聲測距大致有以下方法：取輸出脈沖的平均值電壓， 該電壓 ( 其幅值基本固定 ) 與距離成正比，測量電壓即可測得距離； 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t ，測距原理如圖 2-1 所示

4、，距離公式為 s=ct/2，其中 c 為聲速。通過測量發(fā)射與接受裝置之間的距離h， 利用直角三角形可求得 ds22。本測量電路采用第二種方（ h / 2） 。因為 sh，則 d=s，d=s= ct/2案。Shd目圖 4-1 測距原理圖在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334 米 / 秒，但其傳播速度v 易受空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1，聲速增加約0.6 米/ 秒。聲速與溫度關系如表 4-2 所示。因此在測距精度要求很高的情況下，應通過對溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕Ｕ?已知現(xiàn)場環(huán)境溫度 T 時，超聲波傳播速度 V 的計算公式可近似如下：V=+這樣，

5、只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t 以及現(xiàn)場環(huán)境溫度T，就可以精確計算出發(fā)射點到障礙物之間的距離。表 4-2 聲速與溫度關系表：溫度 -30-20-10010203040（）聲速 313319325332338344350356（ m/s ）五、系統(tǒng)框圖LED 顯示電路發(fā)射發(fā)射發(fā)射電路單片機障礙物通信接口接收電路接收接收六、單元電路設計原理1、 LED顯示電路與鍵盤控制電路設計顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結構類型不同而已。最簡單最直觀的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管， 而復雜的教完整的顯示器應該是CRT監(jiān)視器或者

6、屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實際要求，由于只需顯示距障礙物的距離，因此選用LED數(shù)碼管， 通過單片機編程實現(xiàn)顯示。動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8 個筆劃斷a dp 同名端連在一起， 而每一個顯示器的公共極COM是各自獨立的受 I/O 線的控制。 CPU向字段輸出口送出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個顯示器亮， 則取決于 COM端，而這一端是由 I/O 控制的， 所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮過程中，每位

7、顯示器的點亮時間是極為短暫的（約 1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非人同時點亮， 但只是掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。 采用靜態(tài)掃描方式控制點亮LED數(shù)碼管無位選信號， 各數(shù)碼管是同時點亮的，每個數(shù)碼管顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時送給，其原理比較簡單。 靜態(tài)掃描顯示編程容易， 顯示比較清晰， 亮度一般較高，但要求占用很多I/O 接線口和增用不少硬件芯片，成本較高。因此，我采用動態(tài)掃描。設計的顯示電路采用 4 位一體八段共陰極數(shù)碼管顯示，段碼直接由單片機的P0 口來驅動，因為 P0 口的內部無上拉電阻， 需在外部接

8、上拉電阻； 位碼則通過 4 個 NPN型三極管來驅動，同時接單片機 P2 口。顯示電路如圖6-1 所示。圖 6-1 顯示電路在外圍的鍵盤控制電路中，設置了四個獨立按鍵，分別與單片機的相連，當按下S1時，啟動超聲波發(fā)射，開始測距；當按下S2 時，停止發(fā)射超聲波，即停止測距；S3 為報警開關，當測量到距離過近時，蜂鳴器電路發(fā)出警告，此時按下S3 鍵，即可停止報警，S4 為預留出來的按鍵，當需要的時候可以實行編程控制。電路設計如圖6-2 所示。圖 6-2鍵盤控制電路2、超聲波發(fā)射電路設計超聲波的發(fā)射和接收是由超聲波換能器來完成的，也就是我們俗稱的探頭。超聲波的發(fā)射與接收可采用一體式的或獨立式的，但是

9、一體式的盲區(qū)問題比較嚴重，所以本次設計選擇發(fā)射和接收探頭分開的，具體將采用超聲波發(fā)射換能器TCT40-16BT 和超聲波接收換能器TCT40-16BR。命名規(guī)則：型號： TCT40-16BT 或（ R）類別： TC壓電陶瓷超聲波傳感器；T通用性； T發(fā)射 /R接收外徑： 16 代表 16mm外殼材料：鋁外殼顏色：銀色具體參數(shù)：中心頻率：kHz輸出電壓 : 115dB接收靈敏度：-65dB靜電容量： 2000pF 20%指向角： 80工作溫度 : -20 +70超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、 電磁式等， 而以壓電式最為常用。壓電型超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利

10、用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉化成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉化為電信號，可作為接收頭。超聲波發(fā)射電路， 是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40-16BT 能向外界發(fā)出40 kHz 左右的方波脈沖信號。 40 kHz 左右的方波脈沖信號的產生通常有兩種方法：采用硬件如由555 振蕩產生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機端口輸出40 kHz 左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40 kHz 方波脈沖信號分成兩路，一路經一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極；另一路經兩級反相器后送到超聲波換能器

11、的另一個電極。 用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，實際上構成了一個橋式電路，輸入與輸出的相位圖如圖3-4 所示，再加上輸出端上拉電阻R3， R4，一方面可以提高反向器 MC14069UB輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。發(fā)射電路如圖6-3 所示。圖 6-3 超聲波發(fā)射電路3、超聲波接收電路設計上述 TCT40-16BT 發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波 ( 回波 ) 順利接收到超聲波接收換能器TCT40-16BR進行轉換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產的集成

12、芯片CX20106，得到一個負脈沖送給單片機的(INT0) 引腳，以產生一個中斷。CX20l06A 是日本索尼公司生產的紅外接收芯片，也適用于超聲波接收。其采用單列8腳直插式，超小型封裝。+5V 供電。以下是 CX20l06A 的引腳注釋：1 腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k 。2 腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R 或減小 C，將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R= ，C= F 。3 腳：該腳與

13、GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小， 則為峰值檢波， 瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為 F 。4 腳：接地端。5 腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻， 用以設置帶通濾波器的中心頻率fn ，阻值越大，中心頻率越低。 例如，取 R=200k 時，f0 42kHz，若取 R=220k， 則中心頻率f0 38kHz。6 腳： 該腳與 GND之間接入一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22

14、k ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8 腳：電源正極，5V。接收部分的電路如圖6-4 所示。圖 6-4超聲波接收電路可以看到，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，也適用于超聲波，其具有功能強、性能優(yōu)越、 外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz 與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且 CX20106內部設置的濾波器中心頻率f0 可由其5 腳外接電阻調節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30 60 kHz。故本次設計用它來做接收電路。CX20106內部由前置放大器、限幅放大器

15、、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構成。工作過程如下：接收的回波信號先經過前置放大器和限幅放大器，將信號調整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇， 濾除干擾信號， 再經整形，送給輸出端7 腳。當接收到與 CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號時，其輸出端7 腳就輸出低電平，而輸出端7 腳直接接到 SST89E564的 INT0 引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調節(jié)芯片引腳5 的外接電阻R7，將濾波器的中心頻率設置在40 kHz ，就可達到理想的效果。4 、串口通信與蜂鳴器電路設計由于 MCS 51 使用的是正邏輯的TTL 電平，為了達到電平匹配，在 MCS51 組成系統(tǒng)板

16、上的 RS口必須經電平轉化后輸出，可以使用美信MAX232ECA芯片，外圍電路非常簡單，只需要 4 個 F的電容器，可以實現(xiàn)與計算機的通信，電路如圖6-5 所示。圖 6-5串口通信電路如圖 6-6 所示，蜂鳴器的正極接到VCC（+5v）電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的集電極， 三極管的基極經過限流電阻R20 后由單片機的引腳控制，當輸出低電平時，三極管導通， 這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音。當輸出高電平時，三極管截止，沒有電流通過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲。我們在測距過程中，當與障礙物的距離過近，蜂鳴器就可以發(fā)出報警音，起到提示的作用。圖 6

17、-6蜂鳴器電路七、軟件設計與系統(tǒng)調試系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計，主要包括中斷主程序、入口程序、定時器0 中斷程序、顯示子程序、超聲波發(fā)射子程序、延時子程序、距離計算子程序和報警子程序設計等。1、 主程序流程圖主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器T0 工作模式為16 位定時 / 計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并清計數(shù)器，然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時 （這也就是超聲波測距系統(tǒng)會有一個最小可測距離的原因）后才可打開外部中斷0 接收返回的超聲波信號。由于采用的是24MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是s，所以當當主程序檢測到

18、接收成功的標志位后，調用測距子程序，即可算得被測物與測距器之間的距離，最后顯示在LED上，主程序流程圖如圖 7-1 所示。開始單片機初始化發(fā)射脈沖N判斷是否有回波Y接收脈沖計算距離顯示圖 7-1主程序流程圖發(fā)射程序與接收流程圖系統(tǒng)軟件編制時應考慮相關硬件的連線，同時還要進行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。本設計中引腳連接到推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器，引腳輸出的將是軟件方式產生的40 kHz 方波，而 (INT0) 則被用來接收回波。定時器 T1，T0 均工作在工作方式1，為 16 位計數(shù)， T1 定時器被用來開啟一次測距過程以它的溢出為標志開始一個發(fā)射測量循環(huán)，

19、T0 定時器是用來計算脈沖往返時間，它們的初值均設為0。超聲波的接收由接收子程序來執(zhí)行，接收子程序如圖4-2 所示。首先初始化， 其次發(fā)射超聲波，接收端判斷是否有回波，若時間大于30ms仍沒檢測到回波則重新發(fā)射超聲波；若有回波，通過軟件濾波，判斷是否為回波信號，是回波，則讀取時間，繼續(xù)調用計算距離子程序，最后顯示出測量的距離。初始化超聲波發(fā)射Y有回波？軟件濾波NN時間 30ms是回波信號？NY顯示特殊字符E讀取時間顯示圖 7-2接收子程序流程圖中斷子程序及流程圖當超聲波接收器收到返回的信號會給單片機一個外部中斷，在程序中定義為外部中斷0，INT0 中斷在程序中的作用是形成中斷進行跳轉進入中斷子程序，能夠實現(xiàn)我在程序設計上的思維， 使整個程序符合邏輯設計。中斷子程序流程圖如圖4-3 所示。 在程序中應注意進中斷時變量的保存及出中斷時變量的恢復。當有外部中斷時， 將由硬件置位中斷標志寄存器的 EXINTF0 或 EXINTF1 位（ EXINTF0 或 EXINTF1 位由硬件置位，由軟件清零），為避免進入中斷死循環(huán)， 必須在退出中斷子程序時用軟件清除該標志位。系統(tǒng)在進入中斷時會自動關中斷，之后進入處理子程序。接收中斷后，讀取定時器值，設置標志位。關閉定時器關閉中斷讀取定時器值設置標志位返回圖 7-3中斷子程序流程圖距離計算與顯示子程序由于超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T 在某一時刻